                ЧТО ПРОИСХОДИТ В ЦЕНТРЕ ГАЛАКТИКИ

                        С.Б.Попов

                         ГАИШ МГУ

 КВАЗАРЫ, СЕЙФЕРТОВСКИЕ ГАЛАКТИКИ, ГИГАНТСКИЕ РАДИОГАЛАКТИКИ ПРИВЛЕКАЮТ
ВСЕОБЩЕЕ ВНИМАНИЕ. ЧТО ЗА "МОНСТРЫ" СКРЫВАЮТСЯ В ИХ ЦЕНТРАХ?  ОДНАКО,
ВСЕГДА ИНТЕРЕСНО И ТО, ЧТО ПРОИСХОДИТ У НАС, В НАШЕЙ ГАЛАКТИКЕ.
КАКИЕ ИСТОЧНИКИ ТАМ НАБЛЮДАЮТСЯ, ЕСТЬ ЛИ И У НАС АКТИВНОЕ ЯДРО.
В ЭТОЙ СТАТЬЕ РЕЧЬ ПОЙДЕТ О ТОМ, КАК СВЯЗАТЬ НАБЛЮДАЕМЫЕ В ЦЕНТРЕ
ГАЛАКТИКИ РЕНТГЕНОВСКИЕ ИСТОЧНИКИ С ЭВОЛЮЦИЕЙ ДВОЙНЫХ ЗВЕЗДНЫХ СИСТЕМ
И ВСПЫШКАМИ ЗВЕЗДООБРАЗОВАНИЯ.

                           Введение

 Активность ядер галактик является в течение последних 50 лет объектом
пристального внимания. Существует три основных гипотезы о
природе этой активности: сверхмассивное плазменное тело, черная дыра (ЧД) и
плотное звездное скопление
(кроме того, для объяснения свойств активных ядер
привлекается т.н."новая физика",
но мы не будем останавливаться на этих идеях).
Первая из этих гипотез сталкивается со значительными трудностями и в
настоящее время не пользуется большой популярностью. По всей видимости
обе оставшиеся гипотезы верны, и активность различных типов активных
ядер галактик  связана со сверхмассивными черными дырами или со
звездными скоплениями в их центрах.

 Идея о том, что активность галактических ядер может объясняться
существованием плотных звездных скоплений, появилась давно.
Общий анализ эволюции таких скоплений был проведен еще в 70-е гг.
Пиблсом, Бегелманом и Рисом, которые вообще внесли очень большой вклад
в исследование галактик с активными ядрами.

 Плотность звезд в ядрах нормальных галактик превосходит величину $10^6$
пк$^{-3}$. Скопление из $10^8$ звезд спектрального класса О
способно обеспечить энерговыделение, соответствующее ярким квазарам.
Но здесь есть две принципиальные трудности.
Во-первых, из-за низкой эффективности термоядерного горения ($\approx 0.1 \%$)
активная фаза такого квазара была бы слишком коротка.
Во-вторых, спектр такого скопления будет
заметно отличаться от типичного спектра квазара. Свою роль в энерговыделение
могут вносить неупругие столкновения звезд и вспышки  сверхновых
(а также гиперновые, возникающие при пролете нейтронных звезд (НЗ)
сквозь нормальную звезду).
Существенным также является учет влияния газа (чтобы газ мог заметным
образом влиять на эволюцию его масса должна быть порядка массы звезд,
кроме случая скопления замагниченных объектов (белые карлики (БК),НЗ).
Но особые трудности возникают с образованием струй.
Выбросы вещества-- это типичное проявление активности не только в мире
галактик, но и в мире звезд и их систем (см. "Земля и Вселенная" 1994 N2).
Коллимированные потоки
вещества наблюдаются в активных ядрах уже на расстоянии 1 пк, а простираться
струи могут вплоть до расстояний в 1 Мпк (!!!),
что чрезвычайно трудно объяснить в модели звездного скопления.

 При плотности в центре галактики, превышающей
$$10^9 r^{-2/3} M_{\odot} пк^{-3},$$
где r -- расстояние в парсеках,
образуется единый сверхмассивный объект. Если он обладает значительным
вращением, то через некоторое время он превращается в диск. Такие
объекты называют магнетоидами, спинарами или просто сверхмассивными звездами.
Эти термины появились в обиходе астрономов в конце 60-х гг.
Сверхмассивные звезды как объяснение природы выделения энергии в
центральных областях активных галактик появились в работе Фаулера,
магнетоиды-- в работе Озерного и Чертопруда, спинары-- Кавальери,
Моррисона и Пачини.
 Считается, что модель сверхмассивной звезды имеет право на существование
как предшественник сверхмассивной ЧД. Спинары должны обладать твердотельным
вращением, что связано с их магнитным полем, а также излучать много
энергии в ультрафиолете, что плохо согласуется с наблюдаемым распределением
энергии в спектрах активных ядер.

 Наиболее популярная гипотеза-- сверхмассивная ЧД претендует на объяснение
активности галактик самых разных типов в рамках единой модели.
Эта идея появилась в 1964 году в работах Солпитера и Я.Б.Зельдовича. Переменными
параметрами в основном являются параметры окружающего газа и масса ЧД
(а в большинстве случаев только масса).
В ее рамках удается объяснить все наиболее существенные свойства активных ядер,
включая спектр и образование струй.

 Если активность квазаров и мощных радиогалактик почти наверняка связана
с черными дырами, то вопрос о природе активных процессов в ядре Галактики
является более дискуссионным. Попытки ввести сверхмассивную ЧД в нашу Галактику
частично связаны
с желанием объяснить активность всех галактик одним механизмом, изменяя
лишь один параметр - массу ЧД.

 Центральным объектом нашей Галактики считается объект $Sgr A^*$,
совпадающий с динамическим центром Галактики.
Это уникальный точечный радиоисточник с плоским спектром.
Его светимость около $10^5 L_\odot $. Размеры источника
в разных диапазонах составляют $10^{13}-10^{14} $ см.
Именно в нем может находится сверхмассивная ЧД.

 $Sgr A^*$ расположен в центре спиральной газовой структуры $Sgr A\,\, West$.

Гипотеза существования сверхмассивной ЧД с массой $\approx 10^6 M_{\odot}$
в центре Галактики сталкивается с рядом трудностей.
В первую очередь
не наблюдается сколь-нибудь значительного жесткого излучения от объекта
$Sgr A^*$, динамического центра Галактики.
А ведь спрятать такого "зверя" как сверхмассивная ЧД под ковром
очень нелегко! Аккрецируя межзвездный газ (а также звездный ветер от
звездного скопления IRS 16), ЧД должна была бы
интенсивно излучать в ренгтгеновском диапазоне, что не наблюдается.
Кроме того, приливное воздействие такой ЧД препятствовало бы
звездообразованию в центральной области Галактики.
А также существует трудно объяснимое в рамках гипотезы о
существовании ЧД различие в расположении скопления IRS 16 и объекта $Sgr A^*$.

 Существует ряд работ по моделированию последствий вспышки звездообразования
в центре Галактики. Многие проявления активности в этой области удается
объяснить исходя из этой модели. 
 То что в центральном парсеке идет звездообразование является наблюдательным
фактом. Зарегистрировано большое количество крайне молодых объектов.
Одним из последних сообщений на эту тему является работа американских наблюдателей,
в которой сообщается об открытии звезды Вольфа-Райе на расстоянии 0.5 пк от
Галактического центра!

 Если в районе галактического центра идет процесс звездообразования,
то можно построить его модель, и посмотреть, совпадают ли предсказания
модели с наблюдениями.

                         Описание модели

 Исторически первыми были рассмотрены модели эволюции одиночных звезд.
При исследовании эволюции выделяют два основных метода: популяционный
синтез  и эволюционный синтез.
Целью популяционного синтеза является получение интегральных характеристик
галактики.
В моделях эволюционного синтеза используются наблюдаемые треки и спектры
для предсказания итогового спектра и других наблюдаемых параметров.

 Однако, при рассмотрении эволюции только одиночных звезд мы теряем
большое количество информации. Ведь большая часть звезд, как следует из
наблюдений, входит в состав двойных и кратных систем, что, по-видимому,
является важной особенностью процесса звездообразования. При естественных
предположениях во многих компьютерных расчетах образования звезд
образуются двойные системы.
Особенно ясно необходимость учета двойных звезд в эволюционных сценариях
была осознана в конце $60^x$- начале $70^x$,
когда были открыты первые двойные рентгеновские источники и
нейтронные звезды (пульсары).

 Эволюция звезд в тесной двойной системе (ТДС) сильно отличается от эволюции
одиночной звезды. В течение эволюции ТДС
происходит (возможно неоднократное) перетекание вещества от одного
компонента к другому, что может качественно изменить их эволюционный статус.
Примером этого служит Алголь, известная двойная звезда в созвездии Персея
("парадокс Алголя").  Образование большинства двойных
рентгеновских источников, двойных и миллисекундных радиопульсаров,
пар ЧД+пульсар было бы невозможно без обмена веществом, т.к. при взрыве
более массивной (и быстрее эволюционирующей звезды) система распалась бы.

 Первые работы, посвященные эволюции двойных систем появились в 60-е гг.
Пионерские работы Пачинского, Тутукова, Ван ден Хевела   позволили
подойти к объяснению эволюционного статуса рентгеновских объектов, но
стало ясно, что необходимо рассматривать эволюцию замагниченных
вращающихся объектов (БК, НЗ). О результатах моделирования эволюции
двойных систем с учетом магнитного поля компактных объектов с помощью
программ, разработанных в отделе Релятивистской астрофизики ГАИШ,
мы и поговорим в этой статье.

Для моделирования эволюции ТДС создается комплекс программ.
В компьютере "рождаются" двойные звезды, которые затем
живут и видоизменяются согласно заданным законам.
Законы эти как правило или прямо следуют из наблюдений,
или косвенно ими подтверждаются.
Для получения статистически значимых результатов
в одном прогоне используется от $10^4$ до $10^6$ систем.
Тогда есть (хотя и небольшая) вероятность встретить даже самые
редкие системы, и результаты не будут подвержены случайным ошибкам
(при бросании монетки не удивительно, если "орел" выпадет два-три раза
подряд, но вероятность выпадения 200-300 "орлов" подряд чрезвычайно мала).
 Параметры двойной разыгрываются случайным образом в соответствии с
заданными интервалами их изменения и законами их распределения,
которые или определяются из наблюдений или, если это не удается,
вычисляются теоретически, но подобная теория обязательна должна
быть (хотя бы косвенно) подтверждена наблюдениями.

\section{Что дают расчеты}

 Реально существует множество различных типов двойных систем
и при моделировании можно следить за системами всех этих
типов. Однако, в нашем случае в этом нет необходимости, т.к. во-первых
рассмотривается промежуток времени от 0 до 10 млн. лет, а за этот
период не все типы двойных систем успевают сформироваться. Например, за
это время не могут образоваться БК. Во-вторых, полная масса вспышки
звездообразования не может сравниться с массой галактики, поэтому
трудно рассчитывать на появление редких, экзотических источников, а если
бы они и появились в расчетах, то этот результат был бы неустойчив из-за
своей малой статистической значимости (вспомните бросание монетки).

 Мы будем называть систему рентгеновским транзиентом, если она состоит
из НЗ на эксцентричной орбите и Be звезды. В расчетах эти источники
становятся наиболее многочисленными к предполагаемому моменту наблюдения.
В таких системах могут образовываться рентгеновские пульсары.

 Если система состоит из ЧД и сверхгиганта, не заполняющего свою полость Роша
(т.е. если его вещество не перетекает в быстром темпе на ЧД),
то мы будем называть такую систему истоником типа Cyg X-1, по названию
наиболее известного представителя этого типа, который также является
одним из лучших кандидатов в черные дыры, наравне с рентгеновскики новыми.
Аккреция в такой системе идет из звездного ветра, и
рентгеновская светимость может достигать значительной величины, но
не слишком близкой к критической.

 В случае, если темп аккреции превосходит эддингтоновский, мы имеем
сверхкритическую аккрецию. В этом случае на компактный объект падает
больше вещества, чем он может "проглотить". И из-за давления
излучения часть падающего газа будет отбрасываться обратно.
Мы прослеживали эволюцию сверхаккрецирующих
черных дыр, т.к. они могут иметь наблюдательные проявления в виде струй
(джетов), а в центре Галактики как раз наблюдаются кандидаты в черные дыры,
обладающие струйными истечениями вещества.
Мы называем такие системы источниками типа SS433, не вдаваясь в
дисскусию о том является ли первичный компонент в системе SS433 НЗ  или ЧД
(см. "Земля и Вселенная" 1991, N4). Также рассмотрим системы, состоящие из
ЧД и звезды главной последовательности (ЧД+ГП).

 Количество транзиентов резко возрастает за промежуток времени от 2 до 5
млн. лет и затем  увеличивается достаточно слабо, доходя до $\approx $ 100
при 10 млн. лет. Такое поведение объясняется во-первых тем, что в первые
несколько миллионов лет "прародители"  нейтронных звезд
еще не успели проэволюционировать. Во-вторых, время жизни ТДС на этой
стадии достаточно велико, поэтому их количество нарастает, даже когда
темп их рождения остается практически постоянным.
К 7 млн. лет образуется примерно 75 таких систем. Однако, мы не можем
увидеть их все одновременно, т.к. НЗ звезда находится на орбите с большим
эксцентриситетом, и, когда она далека от Be-звезды, падающего вещества
не хватает для появления яркого рентгеновского источника.

Эта картина противоположна эволюции источников типа
Cyg X-1. Их количество практически экспоненциально падает от $\approx$
40 при 2 млн. лет до $\approx$ 1 при 10 млн. лет. Характерное время
спада $\approx$ 1.5 млн. лет. Это различие связано с различным темпом
эволюции "прародителей"  НЗ и ЧД. ЧД достаточно быстро
образовались (поскольку велика масса "прародителей"),
но время жизни систем на этой стадии невелико, и
такие источники быстро вымирают.
Таким образом, наши предки
миллионы лет назад имели куда большие шансы обнаружить черные дыры в
центральной области Галактики. К счастью (или к сожалению?) они
предоставили это нам. Сейчас может быть всего несколько систем такого типа.
Согласно расчетам на 7 млн. лет существует всего одна такая система.

Источники типа ЧД+ГП эволюционируют почти также, т.к. первичный компонент
также является ЧД. На Cпустя 3 млн. лет после
вспышки в центральной области Галактики было почти 100 таких источников!
Возможно наблюдения центральных областей других галактик, испытавших
совсем недавнюю вспышку звездообразования, позволят открыть новые источники типа
ЧД+ГП. 
Через 7 млн. лет после вспышки остается 4-5 источников этого типа.

 Важным параметром любой большой популяции звезд является, на наш взгляд,
относительное количество ЧД. Это связано с малой чувствительностью к возрасту
количества НЗ спустя примерно 5 млн. лет и быстрым вымиранием ЧД.
 Например, отношение количества источников с черными дырами
на стадии сверхаккретора
к рентгеновским транзиентам с нейтронными звездами ($\approx 0.07$) намного
превосходит такую же величину для всей Галактики ($\approx 0.001$), что
также является важной особенностью вспышки звездообразования.

 Для сравнения с наблюдениями большой интерес представляет возможность
построения модельной карты центра Галактики, на которой изображены
рентгеновские источники различных типов. Для этого необходимо задать
гравитационный потенциал (распределение массы) и начальную скорость системы.

 Масса задавалась в виде
$$M(r)=3.4\times 10^6 M_{\odot}(1+R),$$
где $R$-- расстояние, выраженное в парсеках.
Это выражение достаточно хорошо аппроксимирует распределение массы
в центральной области.
Начальная скорость задавалась как сумма случайной величины с максвелловским
распределением и скорости, полученной в результате взрыва сверхновой.
Ведь взрыв может быть несимметричным, и из-за отдачи система приобретет
дополнительную скорость, да еще звезда приобретет скорость из-за распада двойной.

Расчеты показывают, что источники с ЧД располагаются ближе к центру,
что и понятно, т.к. из-за большей массы системы они приобретают меньшую
скорость при взрыве.
Источники распределены в области $\approx  2000 \times 2000$ пк, что
соответствует 15 на 15 градусов на расстоянии 8.5 кпк. Однако, большая часть
источников находится в области $\approx 750 \times 750 $ пк.

 Разумеется требуется сравнить предсказания нашей модели с наблюдениями.
Наиболее представительные данные о рентгеновских источниках в центре
Галактики дают наблюдения на спутнике "Гранат". В этих работах приводятся карты области 5 на 5
градусов (750 $\times$ 750 пк). Наблюдается 2 кандидата в черные дыры и
9 транзиентных источников, аккреция в которых по-видимому идет на НЗ.

 У кандидатов в черные дыры, источников 1E1740.7-2942 ("Великий Аннигилятор") и
GRS 1758-258, в радиодиапазоне наблюдаются джеты.
На временном масштабе порядка месяцев поток жесткого рентгеновского
излучения от этих объектов изменяется в десятки раз.

 Такая популяция источников с относительно большим числом кандидатов в ЧД с
джетами является нетипичной для Галактики вцелом. Однако, именно такой
результат мы получили при моделировании вспышки звездообразования.
Выше мы говорили, что высокое отношение количества источников
со сверхаккрецирующими ЧД к источникам, содержащим НЗ, является характерным
свойством недавней вспышки звездообразования. Это отношение, а также
отношение общего числа рентгеновских источников с ЧД к числу рентгеновких
источников с НЗ, могут служить хорошим индикатором времени, прошедшего
после вспышки звездообразования.

 Наблюдаемое отношение $\approx 0.2$ является верхней границей
истинного отношения, т.к. за ограниченное время наблюдений нельзя
зарегистрировать все транзиентные источники. Нижняя граница возраста
составляет 5 млн. лет. Это определяется наблюдаемым отношением числа
источников с ЧД к числы источников с НЗ. Верхняя граница определяется
менее надежно и составляет около 9 млн. лет. Это определяется абсолютным
количеством источников с ЧД.

Т.о., полученное в расчетах
значение $\approx 0.08$ для момента 7 млн. лет в первом приближении
согласуется с наблюдениями.

 Вернемся к  пространственному распределению источников. Большая часть
систем расположена в области $750 \times 750$ пк, причем
источники с ЧД сильнее концентрируются к центру, т.к. для них скорость,
приобретенная в результате взрыва сверхновой, будет меньше
из-за большей массы системы. Поэтому в центральной области отношение числа
систем с ЧД к числу систем с НЗ будет выше в $\approx 1.5$ раза, т.е.
ближе к наблюдаемому значению. Разумеется нельзя ожидать, что реальное
распределение источников чудесным образом совпадет с полученным в расчетах,
т.к. угловое распределение разыгрывалось случайным образом. Однако,
сравнивая с картой в работе по наблюдениям ГРАНАТа, можно показать, что основные
характеристики совпадают. Т.о. пространственное распределение, полученное
в результате численного моделирования соответствует наблюдаемому.
Т.е. оно также хорошо объясняется в рамках модели о вспышке звездообразования,
и возраст 7 млн. лет, для которого построена карта, не противоречит
наблюдаемому пространственному рапределению рентгеновских источников.

\section{Так что-же происходит в центре Галактики?}

 Основной вывод таков: наблюдаемое количество и пространственное
распределение рентгеновских источников в центральной области Галактики
не противоречат гипотезе о вспышке звездообразования, произошедшей
около 7 млн. лет назад, и показывают некоторые особенности, свойственные
таким вспышкам. А именно, высокое отношение количества источников с черными
дырами к источникам с нейтронными звездами и присутствие относительно
большого количества источников, содержащих черные дыры на стадии
сверхаккреции, у которых должны наблюдаться струйные истечения, подобные
струям SS433.

 В дальнейшем было бы интересно посмотреть за эволюцией некоторых других
типов объектов, особенно одиночных ЧД и НЗ, аккрецирующих вещество
межзвездной среды. Такие объекты могут наблюдаться на расстоянии
центра Галактики
современными спутниками лишь при очень малой скорости релятивистского
объекта относительно межзвездной среды (порядка 10 км/сек),
что маловероятно. Однако, одиночные НЗ могут быть периодическими источниками
с большей светимостью в случае накопления вещества на магнитосфере
(см. "Земля и Вселенная" 1994, N3).
 Наблюдения источников, аккрецирующих
вещество межзвездной среды может быть хорошим тестом для исследований самой
межзвездной среды на малых масштабах, сравнимых с радиусом гравитационного
захвата НЗ или ЧД.

 Моделирование эволюции тесных двойных систем дает нам хороший
инструмент не только для оценки изменения количества рентгеновских
источников в галактиках с течением времени и суммарной рентгеновской
светимости галактик, но и позволяет рассмотреть более локальные
события, такие как вспышки звездообразования.

 Особое место также занимают галактики со вспышкой звездообразования
в ядерной области.
Сейчас популярна гипотеза , что на протяжении
миллиардов лет эти галактики испытывают короткие вспышки бурного
звездообразования в свои центральных областях. Т.о. согласно
нашим расчетам во многих SBNGs сейчас существуют большие популяции
источников, подобных ЧД+ГП.

 Итак, по всей видимости несколько миллионов лет назад в центре
нашей Галактики произошла мощная вспышка звездообразования,
результатом которой являются, в частности, наблюдаемые в этой
области рентгеновские источники.

   С.Б. Попов 
   "Что происходит в центре Галактики?". 
   Земля и Вселенная , 1995, N5, стр. 17-24.
